As disk performance continues to lag behind microprocessors and memory systems, the file system caching has a growing importance in many applications. An effective file system caching can reduce disk accesses significantly. This paper proposes an adaptive and flexible buffer cache management scheme which can handle workloads with various file access characteristics and can exploit applications' knowledge about their access pattern to improve the file system performance.
Most traditional file systems employ a global LRU policy as the buffer replacement policy. The problem with the global LRU policy is that a single global policy, LRU, is applied to all applications without exception and it may not perform well outside the “typical” computing environment. Our solution is the split-level buffer cache management where responsibility of the buffer cache management is split between the kernel and the applications. The kernel provides user applications with a default replacement policy flexible enough to cope with various file access characteristics. Applications can change and customize kernel's behavior to their needs.
For the kernel, we propose a new replacement policy called LRU-RS. Under LRU-RS, the buffer cache is managed in terms of files rather than blocks so as to enforce a different replacement policy for each cached file according to its access pattern. In order to prevent the buffer cache from being wasted by a very long sequential run, a technique of recycling buffers is introduced. In addition, an adaptive recycling technique is also employed to distinguish between frequently-accessed and infrequently-accessed large files with a small amount of the buffer cache.
For application-specific management, we propose a set of flexible interfaces through which applications can exert fine control over the buffer replacement management. System call interfaces are employed in order to minimize interactions between the kernel and applications but not to add to the kernel complexity. Through these interfaces, applications can specify the access pattern for each file that they use and the replacement priorities among the files. The kernel manages the buffer cache in favor of the application-specific policies.
A prototype system is implemented on a BSD platform and its performance is measured. Experiments show that LRU-RS and application-specific management significantly improve the file system performance for applications.
디스크의 성능과 마이크로 프로세서와 메모리 시스템의 성능간의 격차가 계속 벌어짐에 따라, 많은 애플리케이션에 있어서 화일 캐슁의 중요성은 점점 증대되고 있다. 효과적인 화일 캐슁 전략을 사용하면 화일 시스템의 디스크 접근 횟수를 상당히 줄이는 것이 가능하다. 이 논문에서는, 화일 시스템의 성능을 향상시키기 위해, 다양한 화일 접근 특성들을 처리할 수 있고 애플리케이션이 가지고 있는 접근 패턴에 대한 지식을 활용하는 유연하고 적응력이 있는 버퍼 캐쉬 관리 기법을 제안한다.
대부분의 기존 화일 시스템들은 버퍼 캐쉬 관리 정책으로서 전역 LRU 정책을 사용한다. 전역 LRU 정책의 문제는 하나의 정책만으로 모든 애플리케이션을 예외없이 처리한다는 것이다. 따라서, 애플리케이션이 LRU가 효과적인 "전형적인" 환경을 벗어난 것이라면 성능이 크게 저하될 수 있다. 이 논문에서 제안하는 해결책은 split-level buffer cache management이다. 이 기법에서는, 버퍼 캐쉬 관리의 책임이 커널과 애플리케이션간에 나누어진다. 커널은 애플리케이션에게 다양한 화일 접근 특성들을 다룰 수 있는 기본 교체 정책을 제공한다. 애플리케이션들은 커널의 행동을 변경하고 그들의 필요에 따라 맞출 수 있다.
커널의 교체 정책으로서는 LRU-RS라 불리우는 새로운 정책을 제안한다. LRU-RS에서는 화일의 접근 특성에 따라 그 화일의 버퍼 교체 정책을 달리 가져가기 위해 버퍼 캐쉬를 블럭 단위가 아니라 화일 단위로 관리한다. 매우 큰 화일에 대한 순차적 접근에 의해 버퍼 캐쉬가 낭비되어지는 것을 방지하기 위해서는 버퍼의 재활용(recycling)이라는 새로운 기법을 사용한다. 또한, 적은 양의 버퍼 캐쉬로도 효과적으로 빈번히 사용되는 큰 화일들과 그렇지 않은 화일들을 효과적으로 구별하기 위해 적응형 재활용(adaptive recycling) 기법을 도입한다.
애플리케이션 고유의 관리를 위해서는, 커널의 복잡도를 늘리지 않고 사용자와 커널간의 상호작용을 최소화하기 위해 애플리케이션의 접근 유형에 대한 지식을 시스템 호출 인터페이스를 통해 커널에 등록하는 방식을 취한다. 이 인터페이스를 통해 애플리케이션은 각 화일에 대한 접근 유형과 자신이 사용하는 화일들간의 교체 우선 순위를 지정할 수 있다. 커널은 애플리케이션이 지정한 정책대로 버퍼 캐쉬를 관리한다.
이 논문에서 제안한 버퍼 캐쉬 관리 기법을 BSD 운영체제상에서 구현하였고, 구현한 시스템의 성능을 I/O 집중적인 애플리케이션들을 사용하여 측정하였다. 실험 결과는 LRU-RS와 애플리케이션 고유의 관리 기법이 화일 시스템의 성능을 매우 향상시킬 수 있음을 보여준다.
